Diseño y construcción de un biodigestor para pequeñas y medianas granjas

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN BIODIGESTOR PARA PEQUEÑAS Y MEDIANAS GRANJAS”. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. KLÉBER REINALDO CHUNGANDRO NACAZA [email protected] GUIDO JAVIER MANITIO CAHUATIJO [email protected]. DIRECTOR: ING. ÁNGEL PORTILLA á[email protected]. Quito, Febrero 2010.

(2) ii. DECLARACIÓN. Nosotros, Kléber Reinaldo Chungandro Nacaza y Guido Javier Manitio Cahuatijo, declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. Kléber Reinaldo Chungandro Nacaza. Guido Javier Manitio Cahuatijo.

(3) iii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por los señores Kléber Reinaldo Chungandro Nacaza y Guido Javier Manitio Cahuatijo, bajo mi supervisión.. _____________________________ Ing. Ángel Portilla DIRECTOR DE PROYECTO.

(4) iv. AGRADECIMIENTO. A la mejor facultad del mundo, por ser un logro tan anhelado y a pocos concedido, ya que inconscientemente me daba fuerzas para levantarme y seguir luchando hasta conseguirlo.. A los profesores quienes en su momento me ilustraron con sus conocimientos los mismos que ahora los aplico en la vida profesional.. Al departamento de Energías Alternativas en especial al Ing. Ángel Portilla por dirigir acertadamente el proyecto de titulación, al Ing. Orwield Guerrero y al Sr. Marcelo Daza por compartir momentos gratos.. Kléber Reinaldo Chungandro Nacaza. A mis profesores por haberme proporcionado todas las herramientas y el conocimiento para mi desarrollo personal, profesional e intelectual.. A mi director de tesis, Ángel Portilla, por su guía en la elaboración de esta tesis.. A todos los amigos que influyeron de manera directa o indirecta en la elaboración de este proyecto.. Guido Javier Manitio Cahuatijo.

(5) v. DEDICATORIA. A Dios, por ser aquella voz que me dice que todo objetivo puede ser alcanzado si pongo toda mi energía y lo desarrollo con ética.. A mis hermanos, Dopo, Félix Tito, Liz, Elinita, Chavo, Alejo y Lulú. Por ser un pilar fundamental en mi desarrollo profesional.. A mi madre, Rosita Nacaza, por su invaluable persistencia, abnegación y consejos en los momentos más difíciles que necesite me extendiere sus delicadas manos.. Kléber Reinaldo Chungandro Nacaza. Este proyecto lo dedico de manera muy especial a mi padre y madre, Luís Alejandro y Luzmila, que con su cariño, sacrificio, trabajo, honestidad y dedicación abnegada día a día, siempre ha sido y será un ejemplo de vida y superación.. A mis hermanos Lourdes, Yolanda, Milton, Libio por haberme apoyado de forma desinteresada y confiado en mi. Guido Javier Manitio Cahuatijo.

(6) vi. CONTENIDO. CAPÍTULO 1 GENERALIDADES 1.1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................... 1. 1.2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN. ................................................................ 1. 1.2.1. OBJETIVO GENERAL: ................................................................................... 1. 1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: ........................................................................... 1. 1.3. ALCANCES. ............................................................................................................. 2. 1.4. BIOMASA Y MÉTODOS DE CONVERSIÓN EN ENERGÍA. ............................. 2. 1.4.1. MÉTODOS TERMOQUÍMICOS ..................................................................... 4. 1.4.2. MÉTODOS BIOLÓGICOS............................................................................... 4. 1.5. BIOGAS Y TIPOS DE BIODEGRADACIÓN DEL SUSTRATO. ......................... 5. 1.5.1. DESCOMPOSICIÓN AERÓBICA. .................................................................. 6. 1.5.2. DESCOMPOSICIÓN ANAERÓBICA. ............................................................ 6. 1.6. BIODIGESTIÓN ANAERÓBICA Y SUS ETAPAS. .............................................. 7. 1.6.1. ETAPA DE HIDRÓLISIS O SOLUBILIZACIÓN. ......................................... 8. 1.6.2. ETAPA DE ACIDIFICACIÓN O ACIDOGÉNESIS. ...................................... 8. 1.6.3. ETAPA DE METANOGÉNESIS O METANIZACIÓN. ................................. 9. 1.7. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA. ............... 11. 1.7.1. TIPO DE MATERIA PRIMA. ........................................................................ 12. 1.7.2. TEMPERATURA DEL SUSTRATO. ............................................................ 13. 1.7.3. CARGA VOLUMÉTRICA. ............................................................................ 15. 1.7.4. INCLUSIÓN DE INOCULANTES. ............................................................... 16. 1.7.5. TIEMPO DE RETENCIÓN (TR). .................................................................. 16. 1.7.5.1. Tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB). ............................. 17. 1.7.5.2. Tiempo de retención hidráulico (TRH). ...................................................... 17. 1.7.6. NIVEL DE ACIDEZ (pH). .............................................................................. 19. 1.7.7. RELACIÓN CARBONO/NITRÓGENO (C/N). ............................................. 20.

(7) vii 1.7.8. AGITACIÓN Y MEZCLADO. ....................................................................... 22. 1.7.9. INHIBIDORES................................................................................................ 22. 1.7.10. NUTRIENTES ................................................................................................ 23. 1.7.11. TOXICIDAD. .................................................................................................. 24. CAPÍTULO 2. BIODIGESTORES Y TERMOQUÍMICA DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAERÓBICA 2.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 25. 2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS BIODIGESTORES. .................................................. 25. 2.2.1. RÉGIMEN DE CARGA. ................................................................................. 26. 2.2.1.1. Flujo continuo. ............................................................................................. 26. 2.2.1.2. Biodigestores de dos etapas. ........................................................................ 26. 2.2.1.3. Biodigestores para digestión anaeróbica seca. ............................................ 26. 2.2.1.4. Flujo semi-continuo. .................................................................................... 26. 2.2.1.5. Flujo discontinuo o estacionario .................................................................. 29. 2.2.2. DIRECCIÓN DEL FLUJO EN EL INTERIOR DEL REACTOR. ................ 30. 2.2.2.1. Flujo horizontal ........................................................................................... 30. 2.2.2.2. Flujo ascendente. ......................................................................................... 31. 2.2.2.3. Biodigestores completamente mezclados. ................................................... 32. 2.3. TERMOQUÍMICA DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA. .................................. 32. 2.3.1. ENERGÍA LIBRE DE GIBBS (G). ........................................................................ 32. 2.3.2. EFECTOS DE LA TEMPERATURA SOBRE LA ESPONTANEIDAD DE. LAS. REACCIONES. ................................................................................................................... 36 2.4. CRECIMIENTO MICROBIANO. .......................................................................... 38. 2.4.1. OBJETIVOS DEL CRECIMIENTO MICROBIANO. ................................... 40. 2.4.2. ESTEQUIOMETRÍA DE LA METANOGÉNESIS. ...................................... 40. 2.4.3. FÓRMULA EMPÍRICA PARA CÉLULAS MICROBIANAS. ..................... 41. 2.4.4. DIVISIÓN DEL SUSTRATO Y RENDIMIENTO CELULAR. .................... 42. 2.4.5. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA. ..................................................................... 43.

(8) viii 2.4.6. SÍNTESIS CELULAR. .................................................................................... 44. CAPÍTULO 3 DISEÑO DEL BIODIGESTOR Y SUS COMPONENTES 3.1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................. 46. 3.2. ALTERNATIVAS DE DISEÑO. ............................................................................ 46. 3.3. DISEÑO DEL BIODIGESTOR .............................................................................. 47. 3.3.1. CRITERIOS DE DISEÑO. ............................................................................. 48. 3.3.1.1. Volumen de carga. ....................................................................................... 48. 3.3.1.2. Volumen del biodigestor ............................................................................. 48. 3.3.1.3. Tiempo de retención. ................................................................................... 48. 3.3.1.4. Volumen de gasómetro ................................................................................ 48. 3.3.1.5. Velocidad de carga ...................................................................................... 49. 3.4. COMPONENTES DE UN BIODIGESTOR ........................................................... 49. 3.4.1. TANQUE DE CARGA. .................................................................................. 49. 3.4.2. TANQUE DE DESCARGA ............................................................................ 49. 3.4.3. BIODIGESTOR .............................................................................................. 49. 3.4.4. CONDUCTO DE CARGA.............................................................................. 50. 3.4.5. CONDUCTO DE DESCARGA ...................................................................... 50. 3.4.6. AGITADOR .................................................................................................... 50. 3.4.7. RESERVORIO ................................................................................................ 50. 3.4.8. TUBERÍA DE CONDUCCIÓN. ..................................................................... 50. 3.4.9. ACCESORIOS ................................................................................................ 51. 3.5. PRODUCCIÓN DE BIOGAS. ................................................................................ 51. 3.5.1. VOLUMEN DE BIOGAS PRODUCIDO. ...................................................... 51. 3.5.1.1. Materia orgánica disponible. ....................................................................... 51. 3.5.1.2. Potencial de producción de metano (PCH4) .................................................. 52. 3.5.1.3. Materia orgánica total disponible. ............................................................... 52. 3.5.1.4. Sólidos totales (ST) ..................................................................................... 52. 3.5.1.5. Contenido de sólidos volátiles (SV) ............................................................ 53. 3.5.2. VOLUMEN DE METANO PRODUCIDO (VCH4) ......................................... 54.

(9) ix 3.5.3 3.6. VOLUMEN DEL DIGESTOR (VD) ............................................................... 54 CÁLCULO PARA DETERMINAR: VOLUMEN DE METANO PRODUCIDO,. VOLUMEN DEL BIODIGESTOR Y RESERVORIO. ...................................................... 56 3.6.1. VOLUMEN DE METANO PRODUCIDO. ................................................... 56. 3.6.2. VOLUMEN DEL BIODIGESTOR ................................................................. 59. 3.6.2.1. Volumen real del biodigestor y campana .................................................... 60. 3.6.2.2. Diámetro del biodigestor. ............................................................................ 61. 3.6.2.3. Longitud del biodigestor. ............................................................................. 62. 3.6.3. VOLUMEN DEL RESERVORIO O TANQUE DE ALMACENAMIENTO. DE BIOGAS (VTB). ......................................................................................................... 63 3.7. CÁLCULO DE LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA EN EL INTERIOR DEL. BIODIGESTOR. ................................................................................................................. 64 3.8. DIMENSIONAMIENTO DE LOS TANQUES DE CARGA Y DESCARGA DE. LOS RESIDUOS. ................................................................................................................ 67 3.9. DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍA Y ACCESORIOS. ................................. 69. 3.9.1. TUBERÍA DE ENTRADA Y SALIDA DE SUSTRATO. ............................. 69. 3.9.2. TUBERÍA DE SALIDA DE GAS................................................................... 71. 3.10. FOSA DEL BIODIGESTOR. ................................................................................. 76. 3.11. PROTECCIÓN EXTERNA DEL BIODIGESTOR. ............................................... 78. 3.12. DISPONIBILIDAD DE ENERGÍA. ....................................................................... 79. 3.12.1. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA PARA UN VOLUMEN DE. CONTROL. ..................................................................................................................... 79. CAPÍTULO 4. CONSTRUCCIÓN, MONTAJE Y COSTOS DEL EQUIPO 4.1. INTRODUCCIÓN. .................................................................................................. 85. 4.2. UBICACIÓN. .......................................................................................................... 85. 4.3. CONDICIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN. ................................................... 85. 4.4. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA. ...................................................................... 87. 4.5. MONTAJE DEL BIODIGESTOR Y ACCESORIOS. ........................................... 90.

(10) x 4.5.1. INSTALACIÓN DE LA FUNDA DE POLIETILENO. ................................. 90. 4.5.2. INSTALACIÓN DE LA SALIDA DE BIOGAS. ........................................... 92. 4.5.3. INSTALACIÓN DE LA LÍNEA DE CARGA Y DESCARGA. .................... 95. 4.6. ANÁLISIS ECONÓMICO DEL EQUIPO ............................................................. 97. 4.6.1. COSTO ............................................................................................................ 97. 4.6.1.1. COSTOS DIRECTOS. ................................................................................ 97. 4.6.1.2. COSTOS INDIRECTOS ............................................................................. 98. 4.6.1.3. COSTO TOTAL DEL PROYECTO ........................................................... 99. 4.7. RENTABILIDAD DEL BIOGAS ........................................................................... 99. 4.8. ESTUDIO FINANCIERO DEL PROYECTO ...................................................... 100. 4.8.1. DESARROLLO DE LOS FLUJOS DE CAJA. ............................................ 101. 4.8.2. CÁLCULO DEL TIR Y DEL VAN. ............................................................. 102. CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 104. 5.2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. .............................................................. 104. 5.3. PRUEBAS REALIZADAS ................................................................................... 106. 5.4. RESULTADOS OBTENIDOS.............................................................................. 108. CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 6.1. CONCLUSIONES ................................................................................................. 113. 6.2. RECOMENDACIONES ....................................................................................... 115. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 116.

(11) xi. ANEXOS ANEXO A DETALLE. DE. LOS. COSTOS. DIRECTOS. CORRESPONDIENTES. A. LA. CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR .................................................................... 119 ANEXO B DETALLE DE LOS COSTOS. INDIRECTOS CORRESPONDIENTES A LA. CONSTRUCCIÓN DEL BIODIGESTOR .................................................................... 122 ANEXO C ALTERNATIVAS DE DISEÑO PARA BIODIGESTORES Y SU SELECCIÓN ...... 125 ANEXO D CARACTERÍSTICAS DEL POLIETILENO Y SUS PROPIEDADES ....................... 134 ANEXO E MANTENIMIENTO DEL BIODIGESTOR Y PARÁMETROS DE CONTROL ....... 139 ANEXO F PLANOS DE CONSTRUCCIÓN ................................................................................. 143. APÉNDICE. APÉNDICE A APLICACIONES DEL BIOGAS .................................................................................. 144 APÉNDICE B GLOSARIO ................................................................................................................... 147.

(12) xii. ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 1 Figura 1.1. Origen de la biomasa……………………………………………….….3. Figura 1.2. Procesos de conversión de la biomasa en energía……………….. 4. Figura 1.3. Etapas del proceso de digestión anaeróbica…………………..……7. Figura 1.4. Hidrólisis o solubilización…………………………………….......……8. Figura 1.5. Acidificación…………………………………………………….…….....8. Figura 1.6. Metanización……………………………………………………....……9. CAPÍTULO 2 Figura 2.1 Biodigestores tipo Hindú……………………………………………...27 Figura 2.2 Biodigestores de domo fijo……………………………………………28 Figura 2.3 Biodigestor horizontal (flujo pistón)…………………..…….….……29 Figura 2.4 Biodigestor horizontal (Pug Flow)………………………….…….....30 Figura 2.5 Biodigestor de flujo ascendente………………...…………..…..…..31 Figura 2.6 G (Vs) T, p. ………………………………………………...……....…33 Figura 2.7 Reacciones endotérmica y exotérmica. ……………………………35 Figura 2.8 Influencia de ∆H y ∆S en la reacción. …………………………..…35 Figura 2.9 Etapas del crecimiento microbiano……………………………….…38 Figura 2.10 Funcionamiento celular.. …………………………………………......43. CAPÍTULO 3 Figura 3.1. Esquema general de un biodigestor (Plug Flor) ……………………..60. Figura 3.2. Dimensiones de la membrana de polietileno del biodigestor (mm)..63. Figura 3.3. Incremento de la presión con aumento de la profundidad……….…65. Figura 3.4. Distribución de la presión en las paredes del biodigestor……..……66. Figura 3.5. Dimensiones del tanque de carga (cm) ………………………..……..68. Figura 3.6. Esquema del biodigestor y sus componentes. (mm). ………………70.

(13) xiii Figura 3.7. Dimensiones de la tubería de carga (mm) ……………………..........70. Figura 3.8. Acoples en la salida del biodigestor. …………….…….……….….....72. Figura 3.9. Secuencia de ensamblaje de la unión biodigestor y tubería de salida……………………………..………………...…….…..73. Figura 3.10 Dimensionamiento de la tubería de salida y válvula de alivio en (mm)………………………………………………………….…73 Figura 3.11 Ubicación de las válvulas de seguridad y control del biogas…………………………………..…………………….…...…74 Figura 3.12 Dimensionamiento de la fosa del biodigestor (mm)……………………………………..……….….….77 Figura 3.13 Corte transversal del sistema de generación de biogas. ……………………………………………………...….…….77 Figura 3.14 Cubierta de protección del biodigestor………………………….…….78 Figura 3.15 Conservación de la energía para un volumen de control (Biodigestor) ………………….………..…...……79 Figura 3.16 Pérdidas de calor en el biodigestor………………………….….…….83. CAPÍTULO 4 Figura 4.1. Excavación de la fosa…………………………….…..….…...........…..87. Figura 4.2. Tanque de carga…………………………………………………………89. Figura 4.3. Cubierta del biodigestor. …………………………………….…..……..89. Figura 4.4. Colocación del polietileno sobre la superficie………………………..90. Figura 4.5. Colocación del polietileno de doble capa. ……………………………91. Figura 4.6. Perforación del plástico de 2.5cm. ………………………….………...91. Figura 4.7. Conexión hembra – macho y sellos. ………….……….…..…….……92. Figura 4.8. Apriete en la conexión macho - hembra. ……………………...……..92. Figura 4.9. Accesorios de conexión. ………………………………….....…………94. Figura 4.10 Conexión de la tubería de salida del biogas. ……………………......94 Figura 4.11 Colocación de lana de acero…………………………………...………94 Figura 4.12 Instalación de válvula de bola y válvula de seguridad. …...…..…....95 Figura 4.13 Colación de la tubería de carga y descarga del biodigestor…….......96.

(14) xiv Figura 4.14 Colación del tapón en la tubería de descarga del biodigestor………96. CAPÍTULO 5 Figura 5.1. Fuente de sustrato…………………………………….……………….104. Figura 5.2. Recolección del estiércol. …………………………………………….105. Figura 5.3. Llenado del tanque de carga………………………………………….105. Figura 5.4. Carga completa del biodigestor. ……………………………………..106. Figura 5.5. Medición de la temperatura del aire libre. …………………….……107. Figura 5.6. Comprobación del pH del sustrato. …………………………………107. Figura 5.7. Comprobación del biogas………………………………………….….108. Figura 5.8. Quema de biogas generado…………………………………………..108. Figura 5.9. Uso del biogas generado………………………...………….…….…..109. Figura 5.10 Temperatura (ambiente-digestor) ……………………………….……111 Figura 5.11 Estimación en la producción de metano VCH4…………………….....112.

(15) xv. ÍNDICE DE TABLAS. CAPÍTULO 1 Tabla 1.1. Porcentaje de los gases presentes en el biogas………………....…5. Tabla 1.2. Comparación entre fases acetogénicas y metanogénicas…….….11. Tabla 1.3. Producción de estiércol por especie…………………......................13. Tabla 1.4. Tipo de bacterias en función de la temperatura……………….…....14. Tabla 1.5. Tiempo de retención y materia prima………………………………...18. Tabla 1.6. Producción de gas en relación con el tiempo de retención…..........18. Tabla 1.7. Efectos del pH en la biodigestión………………………………….….19. Tabla 1.8. Relación C/N para diferentes materias primas…………………...….21. Tabla 1.9. Elementos inhibidores…………………………………………….….…23. CAPÍTULO 2 Tabla 2.1. Efecto del la temperatura sobre la espontaneidad de una reacción a una presión dada……………………….……..……...36. Tabla 2.2. Transformación del ácido propiónico a metano………………………37. Tabla 2.3. Fórmulas empíricas para el proceso de metanogénesis a partir de diferentes sustratos………………………………….…....42. CAPÍTULO 3. Tabla 3.1. Tamaños de Unidad de Producción Agropecuaria del Ecuador.…..46. Tabla 3.2. Capacidad receptiva en la costa, sierra y oriente…………………... 47. Tabla 3.3. Potencial de producción de metano (PCH4) de varios residuos……..52. Tabla 3.4. Contenido y tipo de materia orgánica…………………………………53. Tabla 3.5. Relación estiércol - agua para diferentes tipos de fuentes………....55. Tabla 3.6. Estimación en la producción de metano para diferentes TR y T…..58. Tabla. 3.7. Numero de mampuestos necesarios………………………………….69.

(16) xvi Tabla. 3.8. Energía generada por el sustrato……………………….........…….…82. CAPÍTULO 4. Tabla 4.1. Costos Directos…………………………………………..……….…......98. Tabla 4.3. Costos Indirectos………………………………………………...….…..98. Tabla 4.4. Costo total del proyecto………………...………………….…..…...…..99. Tabla 4.5. Flujos de caja………………………………….……………....…….…102. CAPÍTULO 5 Tabla 5.1. Temperaturas promedio obtenidas para el TR…………...….……..110.

(17) xvii. NOMENCLATURA SÍMBOLO A. DESCRIPCIÓN. UNIDAD 2. A tubo AGV C C/N. Superficie expuesta al medio ambiente Área de la sección transversal del tubo de salida de biogas. Ácidos grasos volátiles Carbono Relación carbono/ nitrógeno. [m ] [cm ] [mg/litro -----. CI. Concentración del efluente.. [Kg.]. Cn Cp. Cantidad de átomos de carbono. Capacidad calórica del sustrato. --[KJ/Kg.ºC]. CpCH4 CV DBO. Capacidad calórica del metano Carga volumétrica Demanda bioquímica de oxigeno. [KJ/Kg.ºC] 3 [Kg. /m /día] [mg/l]. Df DQO. Diámetro de la membrana de plástico Demanda química de oxigeno. [m] [mg/l]. DTB E. Diámetro total del reservorio Cantidad promedio de estiércol. [m] [Kg.]. Eentra. Energía que entra al sistema. [J]. Eg. Energía que se genera en el sistema. [J]. Esale G g GLP H h h. Energía sale del sistema Energía libre de Gibbs Gravedad Gas licuado de petróleo Entalpía Altura total del digestor y tanque de carga Coeficiente de calor por convección. [J] [Kcal, KJ] 2 9.81 [m/s ] [Kg.] [Kcal, KJ] [m] 2 [W/m K ]. H2 HDPE. Hidrogeno Polietileno de alta densidad. -----. hL K. Altura del líquido Constante de saturación media. [m] [mg/l]. Ko. Descomposición de los sólidos volátiles. ---. Kp. Contenido promedio de potasio. [gr.]. L1. Longitud del tubo de carga. [m]. LD LDPE. Longitud del digestor Polietileno de baja densidad. [m] ---. LTB. Longitud total del reservorio. [m]. mL MO MS N n N No. Masa liquida del sustrato Materia orgánica Materias seca Nitrógeno Numero de generaciones celulares Número final de células Número inicial de células. [Kg ] [Kg.] [Kg.] ---------. Np. Contenido promedio de nitrógeno. [gr.]. O2. Oxigeno. ---. 2.

(18) xviii Ob P. Cantidad de átomos de oxigeno Fósforo. -----. P1 PC. Presión hidrostática en el recipiente Peso del crisol vació. [KPa] [gr. ]. PCH4. Potencial de producción de metano. [m . CH4/Kg. SV]. Pf pH. [m] ---. PMHC PMSC. Perímetro del polietileno Potencial hidrogeno Peso de la muestra calcinada más el peso del crisol Peso de la muestra húmeda más el peso del crisol Peso de la muestra seca más el peso del crisol. Po. Presión de gas en la campana. [KPa]. Pp q. Contenido promedio de fósforo Máxima tasa de crecimiento específico. [gr.] [mgDQO/mgSV]. Qb. Caudal de biogas. [m Biogás/día].. Qconv r. Calor de convección Radio del biodigestor. [W] [m ]. Ra. Reacción aceptor de electrones. ---. Rc. Reacción para Formación de células nuevas. ---. Rd. Reacción donador de electrones. ---. Re. Reacción para generación de energía. ---. rg. Tasa de crecimiento de bacteriano. [mg/l*seg]. Rs S S ST ST/T SV SV/ST T t. --[Kcal, KJ] [mg/l] [Kg.] [%] [Kg.] [%] [ºC] [seg,horas,días]. Ts. Reacción para Síntesis celular Entropía Concentración del sustrato limitante Sólidos totales Porcentaje de ST sobre el total de estiércol Sólidos volátiles Porcentaje de sólidos volátiles sobre sólidos totales Temperatura Tiempo Temperatura promedio del medio ambiente adaptada para del valle de los chillos. Tiempos de retención Tiempo de retención hidráulico Tiempo de retención de los sólidos biológicos. Temperatura superficial del biodigestor expuesta al medio ambiente. Uo. Crecimiento de producción de metano. [m /día]. VCH4. Volumen de metano producido. [m /día]. VD. Volumen del digestor. [m ]. VDR. Volumen real del digestor. [m ]. VDR. Volumen real del digestor. [m ]. VTB. Volumen del tanque o reservorio. [m ]. VTC. Volumen del tanque de carga. [m ]. WA X ∆G ∆Gº. Peso promedio del animal Concentración de microorganismos Cambio de energía libre Cambio de la Energía libre de Gibbs. [Kg.] [mg/l] [Kcal / mol, KJ / mol] [Kcal / mol, KJ / mol]. PMCC. Tp TR TRH TRSB. 3. [gr. ] [gr. ] [gr. ]. 3. [ºC] [Días, meses] [Días, meses] [Días, meses] [ºC] 3 3 3 3 3 3 3.

(19) xix. ∆H ∆Hº ∆P ∆S ∆Sº ∆T ∆Ealm. para reacciones químicas Cambio de entalpía Cambio de la entalpía para reacciones químicas Variación de presión respecto a la altura del fluido Cambio de Entropía Cambio de la entropía para reacciones químicas Variación de temperatura cantidad de energía almacenda. [Kcal / mol, KJ / mol] [Kcal / mol, KJ / mol] [Pa] [Kcal / mol, KJ / mol] [Kcal / mol, KJ / mol] [ºC] [J]. µm µ. Taza de crecimiento bacteriano Tasa de crecimiento especifico. ---1 [t .]. ρ H2O. Densidad del sustrato. [Kg/m ]. ρe %ST. Densidad del estiércol Porcentaje de sólidos totales. [Kg/m ] [%]. 3 3.

(20) xx. RESUMEN Debido a la problemática medio ambiental que generan los desechos agrícolas en las granjas, se buscó una solución aplicable al medio y que pueda ser desarrollada sin limitaciones económicas y con materiales ubicados en el mercado nacional.. El presente proyecto comprende el diseño y construcción de un biodigestor para pequeñas y medianas granjas. Para lo cual se requiere del estudio de su comportamiento; así como también, de las condiciones de operación bajo las cuales funciona. Por el análisis teórico, se obtienen los criterios en base de los cuales se seleccionan las dimensiones que debe tener el biodigestor y todos sus elementos constitutivos. Al mismo tiempo se analiza las alternativas de construcción, para de esta manera, conseguir un buen diseño y correcto ensamble de las partes. Para evaluar el funcionamiento real del biodigestor, se construye el equipo y se acopla los elementos de medición necesarios para realizar el análisis experimental que confirma la validez del estudio teórico correspondiente. Las pruebas realizadas evidencian que los análisis previos en la fase de diseño y construcción son correctos..

(21) xxi. PRESENTACIÓN El proyecto descrito a continuación se desarrolla de manera sistemática para determinar una forma alternativa en la producción de energía para sectores rurales y agrícolas a base del aprovechamiento de los recursos naturales y desechos orgánicos que se producen. El primer capítulo hace referencia a la biomasa y procesos de digestión anaeróbica, a través de lo cual permite tener un panorama claro de los diferentes métodos de conversión de la biomasa en energía, las etapas que se cumplen durante la digestión anaeróbica y los parámetros que se deben controlar para un óptimo funcionamiento del biodigestor. En el segundo capítulo se analiza los diversos tipos de biodigestores, así como también la termoquímica en los procesos de digestión anaeróbica. En el tercer capítulo se presenta el diseño del biodigestor y sus componentes. Además, se analiza la disponibilidad de energía en el reactor. En el cuarto capítulo se presenta la construcción y montaje del equipo, para lo cual se detalla los pasos seguidos en la instalación del sistema. También se determina los costos correspondientes a los siguientes aspectos: diseño, materiales, construcción y montaje. En el capítulo cinco se muestra los análisis de resultados a través de las pruebas experimentales realizadas en el sistema. El capitulo seis se enfoca a conclusiones y recomendaciones que se obtuvieron en la elaboración del proyecto. Además, se menciona las referencias bibliográficas que se utilizan en este documento. Por último se incluyen los anexos y apéndices empleados en la elaboración y ejecución total del proyecto..

(22) 1. CAPÍTULO 1 GENERALIDADES. 1.1 INTRODUCCIÓN. El Ecuador es un país exportador de petróleo que constituye la fuente principal de ingresos, posee además un gran potencial agrícola; razón por la cual a partir del principio de energía renovable y los problemas de contaminación ambiental, el presente proyecto está enfocado en obtener biogás a través de la descomposición de residuos orgánicos, por medio de los procesos de digestión anaeróbica que ocurren en ausencia de oxígeno (sin aire) al interior de un biodigestor, el mismo que facilita el crecimiento y la proliferación de bacterias anaerobias metanogénicas que descomponen a los residuos o sustrato y su producto final está compuesto principalmente por un gas combustible conocido como biogas o gas metano (CH4), dióxido de carbono (CO2), además de otros elementos en proporciones despreciables y un efluente líquido alcalino rico en nutrientes con materia orgánica estabilizada que puede ser utilizado como abono, eliminando efectos negativos de contaminación ambiental producidos por los desechos y diversos tipos de vectores que pueden provocar enfermedades .. 1.2. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.. 1.2.1. OBJETIVO GENERAL:. Diseñar y construir un biodigestor para pequeñas y medianas granjas con capacidad de 50kg de carga diaria producidos en la granja.. 1.2.2 •. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:. Investigar los procesos de conversión de la biomasa y sus aplicaciones, con el fin de generar biogas..

(23) 2 •. Desarrollar criterios para el diseño y selección de biodigestores.. •. Diseñar y determinar los diferentes componentes del prototipo de tal manera que permita su fácil manejo y manipulación.. •. Probar el prototipo.. •. Desarrollo de energía alternativa y renovable en el Ecuador.. 1.3. ALCANCES.. Es de sumo interés del sector agrícola satisfacer la necesidad de generar biogas a partir de productos de bajo contenido energético para diferentes tipos de uso, como son: calefacción, iluminación para el establecimiento de producción de aves de corral, porcicultura. A través de sus propios desechos, uso del biofertilizante para la granja.. Para lo cual es necesario de los siguientes aspectos: •. Recopilación de información necesaria para realizar el mencionado proyecto.. 1.4. •. Organización de la información obtenida.. •. Planteamiento y análisis de alternativas.. •. Selección de alternativas.. •. Diseño de elementos constitutivos del equipo.. •. Elaboración de planos.. •. Manual de mantenimiento.. •. Análisis y valoración de costos del proyecto.. •. Pruebas de campo.. BIOMASA Y MÉTODOS DE CONVERSIÓN EN ENERGÍA.. La biomasa es la energía solar convertida por la vegetación en materia orgánica; esa energía se la puede recuperar por combustión directa o transformando la materia orgánica en otros combustibles..

(24) 3 La biomasa como fuente para la producción de energía renovable puede clasificarse en diferentes variedades según las condiciones naturales o artificiales que se encuentre a disposición. Una breve clasificación hace referencia a la biomasa como fuente de poder energético de de la siguiente manera: • Biomasa natural. • Biomasa residual seca. • Biomasa residual húmeda. • Cultivos energéticos, forestales y agrícolas. A continuación, la figura 1.1 hace referencia al origen de la biomasa, clasificándolos por la variedad de residuos. y sus derivados, sean estos. procesados o en su estado natural.. BIOMASA. S O C I T É G R E N E. S E L B SA AD R A UR S G A E B D O I B. OO DG RR A O CS. S O V I T L U C. SS OO DN I L A ÓB S R . RU. S A SZ A E I DP OM P I L. S A L O C Í R G A. S SO OR UE D D IA SN E A RG. S O U D I S E R A L L I O R V A I C T AS L J A UA C CP. A I R A SD ON T U NC E E MS E . R M CI O X E B. S A D O P. S O Z E R E D A S O C I N Á G R O . M O C. S A S A R G. S S A O H RSC A O C S E E SU S Á E CHD. S A R SO OA D DR OU L P E D. NI A ÓR I CA A T RN UE T M I CL A A F O UR NG A MA. A RE E L L B E E PU A P M .. DD NI N I. S SE L OA UT D S IE SR E O RF. S O SR OE UD A DA N I S G E O RR G A. S SE L OI A UR D IT SS E U RD N I N Ó I C A A RR UE T R CE A D F UA NM A M. Figura 1.1 Origen de la biomasa. Para realizar la transformación de la biomasa en energía existen varios métodos, los más utilizados son los métodos termoquímicos y los biológicos como se lo puede apreciar en la figura 1.2..

(25) 4 N Ó I T SA UT BC ME R OI CD. N Ó I T SA UT BC ME R OI CD. A C I NM Í ÓU I SQ REO VM NR OE CT. S E L B I T S U B M O C. A C I NM Í ÓU I SQ REO VM NR OE CT. BIOMASA. A S A M O I B E D NA ÓC I I SM RÍ EU VQ NO OI CB. NA ÓC I SI M RÍ EU VQ NO OI CB. Figura 1.2 Procesos de conversión de la biomasa en energía.. 1.4.1. MÉTODOS TERMOQUÍMICOS.. Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Existen tres tipos de procesos que dependen de la cantidad de oxígeno presente en la transformación:. Combustión.- consiste en la oxidación de la biomasa por el oxígeno del aire, liberando agua y gas carbónico a altas temperaturas.. Pirolisis. - es la combustión incompleta de la biomasa en ausencia de oxígeno, este proceso se lo lleva a temperaturas altas alrededor de 500˚C por lo que se genera la liberación de un gas pobre, mezcla de monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno y de hidrocarburos ligeros.. Gasificación.- se somete a la biomasa a muy altas temperaturas en presencia de cantidades limitadas de oxígeno, las necesarias para conseguir así una combustión completa.. 1.4.2. MÉTODOS BIOLÓGICOS.. Se basan en la utilización de diversos tipos de microorganismos que degradan las moléculas a compuestos más simples de alta densidad energética. Son métodos adecuados para la biomasa de alto contenido en humedad, los más conocidos.

(26) 5 son la fermentación alcohólica para producir etanol, y la digestión anaerobia para producir metano.. 1.5. BIOGAS Y TIPOS DE BIODEGRADACIÓN DEL SUSTRATO.. El término biogas se refiere a la mezcla de gases resultantes de la descomposición de la materia orgánica realizada por acción bacteriana en condiciones anaeróbicas. La composición de biogas depende del tipo de desecho utilizado y de las condiciones en que se procesa. Los principales componentes del biogas y en mayor porcentaje son el metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2). Aunque la composición del biogas varía de acuerdo a la biomasa utilizada, su composición aproximada se presenta a continuación. Tabla 1.1.. Tabla 1.1 Porcentaje de los gases presentes en el biogas.. GAS. VOLUMEN. Metano, CH4. 54 - 70%. Bióxido de carbono, CO2. 27 - 45%. Hidrógeno, H2. 1 - 10%. Nitrógeno, N2. 0.5 - 3%. Acido Sulfhídrico, H2S. 0.1%. El metano, principal componente del biogas, es el gas que le confiere las características combustibles al mismo. El valor energético del biogas por lo tanto estará determinado por la concentración de metano alrededor de 20 - 25 MJ/m3, comparado con 33 - 38MJ/m3 para el gas natural.. El proceso de biodegradación del sustrato se da por dos métodos: • Descomposición aeróbica (aerobia). • Descomposición anaeróbica (anaerobia)..

(27) 6 1.5.1. DESCOMPOSICIÓN AERÓBICA.. Esta descomposición es en presencia de oxigeno por lo tanto es un proceso oxidante, el mismo que es llevado a cabo teóricamente en tres etapas: •. La oxidación de la materia orgánica.. •. La nitrificación.. •. La desnitrificación, con el fin de remover el nitrógeno amoniacal.. Sin embargo los dos últimos pasos son complejos y difíciles de ejecutar con este tipo de residual.. En este tipo de descomposición, el oxígeno es el receptor de los electrones desprendidos en la descomposición biológica o degradación. Los organismos aerobios emplean la energía desprendida en el fenómeno de la descomposición para sus procesos de crecimiento y reproducción, y al mismo tiempo liberan una cantidad de calor.. ∆ Energía = Biomasa + Calor. 1.5.2. Ec. (1.1). DESCOMPOSICIÓN ANAERÓBICA.. Esta descomposición ocurre en ausencia de oxígeno (sin aire) al interior de un biodigestor, aparato que facilita el crecimiento y la proliferación de un grupo de bacterias anaerobias metanogénicas, que descomponen y tratan los residuos dejando como resultado final, un gas combustible conocido como biogas, además produce un efluente líquido alcalino rico en nutrientes y materia orgánica estabilizada.. En la descomposición anaeróbica el agente receptor de los electrones desprendidos de la degradación es otro compuesto distinto al oxígeno. Para esta descomposición, la energía desprendida del proceso de descomposición es receptada por los enlaces de metano. La energía restante se emplea, al igual que.

(28) 7 en la descomposición aerobia, en los procesos metabólicos y en liberación de calor.. ∆ Energía = Biomasa + Calor + CH4. Ec. (1.2). El CH4 producido en este proceso es el último eslabón en una cadena de microorganismos que degradan materia orgánica y devuelven los productos de la descomposición al medio ambiente.. Bajo este concepto, el proceso por el cual se obtiene el biogas es una fuente de energía renovable, que se obtiene a partir de sustratos de escaso valor económico y que, además, son una fuente de contaminación y enfermedades. De lo anterior mencionado y para fines del desarrollo de la presente tesis, se hará referencia detalladamente a la biodigestión anaeróbica.. 1.6. BIODIGESTIÓN ANAERÓBICA Y SUS ETAPAS.. En el proceso de la biodigestión anaeróbica, la materia orgánica se degrada paulatinamente para producir metano, mediante un conjunto de interacciones complejas entre distintos grupos de bacterias. En el digestor herméticamente cerrado, el oxígeno libre de la atmósfera y del agua es consumido por las bacterias aerobias, que tienden a desaparecer, y ser reemplazadas por las bacterias facultativas. Estas, junto con las anaerobias, pueden iniciar entonces la digestión anaeróbica. Figura1.3.. Figura 1.3 Etapas del proceso de digestión anaeróbica..

(29) 8 De acuerdo a lo anterior se tienen tres etapas: •. Hidrólisis.. •. Acidogénesis.. •. Metanogénesis.. 1.6.1. ETAPA DE HIDRÓLISIS O SOLUBILIZACIÓN.. Esta primera etapa consiste en una mezcla de bacterias llamadas a veces formadoras de ácidos, que hidrolizan las moléculas complejas de materia orgánica para originar ácidos grasos de cadena corta y alcohol. Figura1.4.. Figura 1.4 Hidrólisis o solubilización.. El material orgánico soluble resultante puede ser asimilado por la célula y por lo tanto sirve como sustrato para las bacterias de la segunda etapa.. 1.6.2. ETAPA DE ACIDIFICACIÓN O ACIDOGÉNESIS.. El segundo grupo es el de las bacterias acetogénicas, producen acetato e hidrógeno, al igual que lodos orgánicos solubles y ácidos orgánicos simples Figura1.5.. Figura 1.5 Acidificación..

(30) 9 Los ácidos grasos son convertidos en ácidos orgánicos volátiles, tales como el acético, siendo el principal producto y puede llegar a representar el 70%. También se encuentran el acido propiónico, compuestos hidrogenados (H2) y carbodióxidos (CO2). En esta etapa se da un descenso en el pH que tiende a subir a medida que las bacterias metanogénicas, de la tercera etapa, consumen los ácidos y el oxígeno del medio es eliminado, proceso que es indispensable para la tercera fase.. 1.6.3. ETAPA DE METANOGÉNESIS O METANIZACIÓN.. El tercer grupo de micro-organismos se suele denominar metanogénico, y convierte los productos ya degradados a metano y dióxido de carbono. Figura 1.6.. Figura 1.6 Metanización. La transformación final cumplida en esta etapa tiene como principal substrato el acético junto a otros ácidos orgánicos de cadena corta y los productos finales liberados están constituidos por el metano y el dióxido de carbono.. En esta etapa las bacterias metanogénicas transforman los ácidos orgánicos en metano. La producción de metano se puede dar por las siguientes vías: •. Fermentación del ácido acético:. CH3COOH → CH4 + CO2. Ec. (1.3).

(31) 10 •. Fermentación del ácido propiónico:. 1era. Etapa. CH3CH2COOH + ½ H 2O → CH3COOH + ¾ CH 4 + ¼ CO 2 Ec. (1.4) 2da. etapa CH3COOH → CH4 + CO2 •. Ec. (1.5). Reducción de CO metanol y ácido fórmico:. CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O. Ec. (1.6). El producto final puede llegar a tener un 60% de metano y un 40% de CO2 dependiendo estos valores de la calidad de la materia prima.. Las ecuaciones estequiométricas de Buswell son aplicables a la fermentación a metano de todos los diversos tipos de sustratos:. CnHaOb = (n- a/4 -b/2) H2O + (n/2 - a/8 + b/4) CO2 + (n/2 + a/8 – b/4) CH4 Ec. (1.7). Donde n, a y b son la cantidad de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno contenidos en las moléculas de materia orgánica degradadas. Como ejemplo, para la molécula de almidón (C6H10O5), la fórmula es como sigue: C6H10O5 = H2O + 3 CO2 + 3 CH4. Ec. (1.8). Esto quiere decir que la fermentación anaerobia de almidón resulta en un 50% de metano..

(32) 11 Los microorganismos que intervienen en cada fase tienen propiedades distintas que son muy importantes y se las debe conocer para lograr comprender el equilibrio y funcionamiento óptimo de un digestor. Estas características han sido resumidas en la tabla 1.2 para su mejor comprensión.. Tabla 1.2. Comparación entre fases acetogénicas y metanogénicas.. Fase acidogénica. Fase metanogénica. Bacterias facultativas (pueden vivir en presencia de bajos contenidos de oxígeno).. Bacterias anaeróbicas estrictas (No pueden vivir en presencia de oxígeno).. Reproducción muy rápida (alta tasa Reproducción reproductiva).. lenta. (baja. tasa. reproductiva).. Poco sensibles a los cambios de Muy sensibles a los cambios de acidez acidez y temperatura. Principales. y temperatura.. metabolitos,. orgánicos.. ácidos Principales productos finales, metano y dióxido de carbono. Como se ve el proceso ha sido simplificado a dos fases principales, la ácida generadora de productos intermedios y la metanogénica.. Del cuadro anterior se desprende que una alteración en los parámetros de funcionamiento incidirá negativamente sobre la fase metanogénica de forma significativa, lo cual disminuirá la producción de gas y una acidificación del contenido pudiéndose llegar al bloqueo total del proceso.. 1.7. FACTORES. QUE. INFLUYEN. EN. LA. DIGESTIÓN. ANAERÓBICA. La actividad metabólica involucrada en el proceso metanogénico se ve afectada por diversos factores. Debido a que cada grupo de bacterias intervenientes en las distintas etapas del proceso responde en forma diferencial a esos cambios, no es.

(33) 12 posible dar valores cualitativos sobre el grado que afecta cada uno de ellos a la producción de gas en forma precisa. Entre los factores más importantes a tenerse en cuenta se desarrollarán los siguientes: tipo de sustrato (nutrientes disponibles, materia prima), temperatura del sustrato, la carga volumétrica, tiempo de retención, nivel de acidez (pH), relación Carbono/Nitrógeno (C/N), concentración del sustrato, el agregado de inoculantes, grado de mezclado, presencia de compuestos inhibidores del proceso, nutrientes y toxicidad.. 1.7.1. TIPO DE MATERIA PRIMA.. Las materias primas fermentables incluyen dentro de un amplio espectro a los excrementos animales y humanos, aguas residuales orgánicas de las industrias, restos de cosechas y basuras de diferentes tipos, como los efluentes de determinadas industrias químicas.. El proceso microbiológico no solo requiere de fuentes de carbono y nitrógeno sino que también deben estar presentes en un cierto equilibrio sales minerales tales como azufre, fósforo, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso, molibdeno, zinc, cobalto, selenio, tungsteno, níquel y otros en cantidades menores. Normalmente las sustancias orgánicas como los estiércoles y lodos cloacales presentan estos elementos en proporciones adecuadas.. Los valores tanto de producción como de rendimiento en gas de los estiércoles presentan grandes diferencias. Esto es debido al sinnúmero de factores involucrados que hacen muy difícil la comparación de resultados.. En cuanto al volumen de estiércol producido por las distintas especies animales son variables de acuerdo fundamentalmente al peso y al tipo de alimentación y manejo de los mismos. Cuando se encare un proyecto específico se recomienda realizar una serie de mediciones en el lugar donde se empleará al digestor..

(34) 13 A modo ilustrativo se expone a continuación la tabla 1.3, que trata acerca de las cantidades de estiércol producido por diversos tipos de animales y el rendimiento en gas de los mismos, tomando como referencia el kilogramo de sólidos volátiles (SV).. Tabla 1.3 Producción de estiércol por especie.. ESPECIE PESO VIVO Kg. ESTIERCOL/día. %CH4. Cerdos. 50. 4,5 - 6. 65 - 70. Vacunos. 400. 25 -40. 65. Equinos. 450. 12 - 16. 65. Ovinos. 45. 2,5. 63. Aves. 1.5. 0,06. 60. Caprinos. 40. 1,5. -. Por lo tanto, para mejorar la producción de metano de los biodigestores, es conveniente mejorar los SV, es decir que en la mezcla de estiércoles se encuentre balanceada la cantidad de C/N, además se encuentre con niveles de pH balanceados y que posea una alta cantidad de organismos metanizantes.. 1.7.2. TEMPERATURA DEL SUSTRATO.. La digestión es más rápida y más completa a temperaturas elevadas, el intervalo de 30 - 40°C es adecuado para la velocidad de diges tión y la estabilidad del digestor. La temperatura elegida no debe oscilar en un intervalo mayor de cinco grados. En climas fríos gran parte de la energía producida se consume para mantener caliente el digestor y aumentar la temperatura del sustrato, pudiendo representar las 3/4 partes de la producción de gas.. Para que se inicie el proceso se necesita una temperatura mínima de 4º a 10º C y no se debe sobrepasar una máxima de alrededor de 60 a 75ºC, como se puede ver en la tabla 1.4..

(35) 14. Tabla 1.4 Tipo de bacterias en función de la temperatura.. BACTERIAS. RANGO DE TEMPERATURAS. SENSIBILIDAD. TIEMPO DE RETENCIÓN. Psicrofílicas. 4 - 15ºC. ± 2ºC/hora. Mas de 100 días. Mesofílicas. 15ºC - 40ºC. ± 1ºC/hora. 30 – 60 días. Termofílicas. 40ºC - 75 ºC. ± 0,5ºC/hora. 10 – 16 días. En el rango mesofílico las bacterias que se desarrollan en este nivel de temperatura se reproducen fácilmente siendo la temperatura óptima de 35 ºC, en la cual los desechos orgánicos se pueden digerir a esta temperatura produciendo biogás. Sin embargo, es necesario conocer las condiciones ambientales en las cuales se llevará dicho proceso para la instalación del equipo de generación de gas.. En la fase termofílica se produce la mayor cantidad de biogas que en el anterior y en tiempos más cortos, en general sólo es usado en las grandes instalaciones a nivel industrial, ya que se requiere de un control muy preciso.. Por lo tanto, el aumento de temperatura produce una mayor actividad biológica y mayor producción de gas. Al mismo tiempo se deberá tener en cuenta que al no generar calor, el proceso de estabilizar la temperatura deberá ser mantenida mediante energía exterior.. Los digestores que trabajan a temperaturas mesofílicas y termofílicas poseen generalmente sistemas de calefacción, aislamiento y control los cuales son obviados en digestores rurales económicos que trabajan a bajas temperaturas.. La ventaja de la digestión termofílica es que la producción de biogas es aproximadamente el doble que la mesofílica, así que los biodigestores termofílicos.

(36) 15 pueden ser la mitad en volumen que los mesofílicos, manteniendo su eficiencia general.. La temperatura está íntimamente relacionada con los tiempos que debe permanecer la biomasa dentro del digestor para completar su degradación, esto se conoce como tiempo de retención que se detallará más adelante.. 1.7.3. CARGA VOLUMÉTRICA.. La carga volumétrica es el volumen de sustrato orgánico cargado diariamente al digestor. Este valor tiene una relación de tipo inversa con el tiempo de retención hidráulico, dado que a medida que se incrementa la carga volumétrica disminuye el tiempo de retención. Con la siguiente expresión se puede calcular la carga volumétrica..  1  CV =  (C I )  TRH . Ec. (1.9). Donde:. CV. = Es la carga volumétrica.. TRH = Tiempo de retención hidráulico. [día] CI. = Es la concentración del efluente en [Kg.]. Existen diferentes formas de expresar este parámetro (CV), siendo las más usuales las siguientes: Kg. de material/día, Kg. de materia seca/día, Kg. de sólidos volátiles/día, todos expresados por metro cúbico de digestor, (Kg. /m3/día).. Al incrementar la carga volumétrica (CV) se reduciría el tamaño del biodigestor, pero también se reduciría el porcentaje de de sólidos volátiles (SV) convertidos a gas..

(37) 16 1.7.4. INCLUSIÓN DE INOCULANTES.. El crecimiento de bacterias en el interior de los digestores posee tres etapas:. I.. Arranque.. II. Estabilización. III. Declinación.. En la primera etapa, el tiempo de retención (TR) puede ser disminuido por la inclusión de material de otro digestor que provea de bacterias y acelere el proceso de fermentación, esto se puede usar en digestores discontinuos que deben ser arrancados frecuentemente.. En la segunda etapa, se produce una cierta estabilización, logrando una mayor producción de biogas por kilogramo de residual. Y finalmente la última zona indica el decaimiento de producción de gas.. Por lo tanto existen dos factores que deben ser tomados en cuenta en la inoculación de un digestor que son; la proporción en que se agrega la inclusión y la edad del digestor. Por lo que a mayor proporción y menor edad, la eficacia será mayor. 1.7.5. TIEMPO DE RETENCIÓN (TR).. Debido a que el proceso de producción de gas es lento, mientras más tiempo estén las sustancias descargadas en el biodigestor, mayor será la producción de gas en términos absolutos por unidad de sustrato. De esta manera existen dos parámetros para calcular el tiempo de retención. •. Tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB).. •. Tiempo de retención hidráulico (TRH)..

(38) 17 1.7.5.1. Tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB).. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB), se determina al dividir el monto de materia orgánica (MO) o (SV) cargados en el digestor, para la cantidad de (MO) que sale del sistema diariamente. Se asume que el TRSB representa el tiempo de retención promedio de los microorganismos en el digestor. También se puede decir, cuando existe más tiempo para digerir los residuales o excretas, más completa resulta la digestión. El 90% de la digestión se alcanza en 20 días con un promedio de temperatura de 35 ºC, pero con el transcurso del tiempo no se logra alcanzar el 100%. Es necesario aclarar que si el TRSB es demasiado corto las bacterias metanogénicas son diluidas o eliminadas con el afluente, por lo tanto existe un cese en la biodigestión, siendo el TRSB de 3 días como mínimo.. 1.7.5.2. Tiempo de retención hidráulico (TRH).. El tiempo de retención hidráulico (TRH), es la relación entre el volumen del biodigestor dividido por la carga diaria.. Para condiciones de campo o granja es mas practico medir el TRH que el TRSB, siendo estos dos parámetros muy importantes en los digestores que han sido construidos en la actualidad.. En otras palabras se puede decir que el tiempo de retención (TR) mínimo, está determinado por el tiempo de generación de las bacterias, esto es, el tiempo que necesitan los microorganismos para reproducirse. El TR esta ligado a factores tales como: al diseño del reactor, el mezclado del sustrato, la forma de extracción de los efluentes, tipo de sustrato y la temperatura. Por lo tanto, al elegir una mayor temperatura implicará una disminución en los tiempos de retención requeridos.. Este parámetro sólo puede ser claramente definido en los digestores tipo Batch, los cuales son digestores discontinuos y en donde el TR coincide con el tiempo de.

(39) 18 permanencia del sustrato dentro del biodigestor. Mientras que en los digestores continuos y semicontinuos el tiempo de retención se define como el valor en días, al dividir el volumen del digestor para el volumen de carga diaria.. En la tabla 1.5 se puede apreciar el TRH y la materia prima que es usada en la digestión de estiércoles a temperatura mesofílica. Sin embargo, es necesario considerar que ha temperaturas psicrofílicas, el TRH será de mayor número de días, produciendo biogas de forma lenta y constante, para lo cual es importante considerar el aporte de bacterias iniciadoras en el proceso de fermentación anaeróbica. Tabla 1.5. Tiempo de retención y materia prima.. MATERIA PRIMA. TRH. Estiércol vacuno líquido. 20 - 30 días Estiércol porcino líquido. 15 - 25 días Estiércol aviar líquido.. 20 - 40 días. En la tabla 1.6 se establece como referencia la producción de gas y el tiempo de retención en función de la temperatura de acuerdo a la materia orgánica de origen bovino.. Tabla 1.6. Producción de gas en relación con el tiempo de retención1.. Temperatura Producción de gas Tiempo de Retención. 1. [ºC]. [m3/día]. [meses]. 15. 0.15. 12. 20. 0.30. 6. 25. 0.60. 3. 30. 1.00. 2. 35. 2.00 o mayor. 1. KERN JOSEPH; La casa autónoma; Colombia; 1979.

(40) 19 Por lo tanto, el límite mínimo de los TR está dado por la tasa de reproducción de las bacterias metanogénicas debido a que la continua salida de efluente del digestor extrae una determinada cantidad de bacterias que se encuentran en el líquido. Esta extracción debe ser compensada por la multiplicación de las bacterias que pertenecen dentro del reactor.. 1.7.6. NIVEL DE ACIDEZ (pH).. Cuando se logra establecer el proceso de fermentación el pH se mantiene en valores que oscilan entre 6.6 hasta 7.6 y 8. El pH tiende a disminuir como causa de la presencia de los ácidos grasos volátiles (AGV) y el acetato. Por lo que las bacterias metanogénicas deben convertir rápidamente los AGV a medida que se incrementan las bacterias acetogénicas, caso contrario el pH desciende en el biodigestor. Sin embargo, el equilibrio dióxido de carbono - bicarbonato (CO2 HCO3) y Amonio -Amoníaco (NH3 -NH4) opone resistencia al cambio de pH en el material de entrada. Estas desviaciones de los valores normales es un indicativo del desequilibrio entre las bacterias de la fase ácida y la metanogénica provocado por cualquier variación en alguno de los parámetros. Tabla 1.7 Efectos del pH en la biodigestión2.. pH. EFECTO. 7 – 7.6. Óptimo. ≤. 6.2 Retarda la acidificación. ≥. 7.6 Retarda la amonización. Para controlar las variaciones del pH en el biodigestor, existen dos métodos de control.. 2. FUNDACIÓN PESENCA; El Biogás y sus Aplicaciones; Colombia; 1992; pp.34..

(41) 20 El primer modo de control es detener la carga del biodigestor y permitir durante cierto tiempo que las bacterias metanogénicas reduzcan los AGV, permitiendo que el nivel de pH se incremente hasta valores aceptables entre el rango establecido. Cuando el pH retoma valores normales se puede continuar cargando el biodigestor con materia orgánica de manera lenta y en pequeñas cantidades para luego aumentar gradualmente la carga y evitar cualquier descenso.. El segundo modo de control consiste en agregar tampones o buffer para elevar el pH sin cambiar el ritmo de carga del biodigestor, los elementos a usar son el carbonato de sodio que evitan las precipitaciones del carbonato de calcio, sin embargo este material resulta ser costoso, también se puede agregar agua con cal.. 1.7.7. RELACIÓN CARBONO/NITRÓGENO (C/N).. La relación C/N, son los constituyentes básicos de la materia orgánica. Por lo tanto es necesario que exista una relación adecuada entre estos elementos; teóricamente la relación adecuada de C/N se encuentra entre 25:1 hasta 35:1. Sin embargo hay que considerar dos efectos:. Si la relación C/N es muy elevada, como consecuencia disminuye la actividad biológica, hasta puede inhibir el proceso debido a su alta alcalinidad. Sin embargo, cuando C/N >35, la materia orgánica puede ser tratada como compost, debido al exceso de carbono.. Si la relación C/N es muy baja, como consecuencia se pierde el nitrógeno en forma de amoniaco, inhibiendo por completo la actividad bacteriana.. Por otra parte, la descomposición de materiales con alto contenido de carbono ocurre más lentamente, pero el período de producción de biogas es más prolongado. Por ejemplo, la relación de C/N en residuales porcinos es de 9 a 3; en vacunos de 10 a 20; en gallinas de 5 a 8; para humanos es de 8 y para residuos vegetales es de 35. La relación óptima se considera en un rango de 30:1 hasta.

(42) 21 10:1, una relación menor de 8:1 inhibe la actividad bacteriana debido a. la. formación de un excesivo contenido de amonio.. En la tabla 1.8, se presenta el contenido de N, y C/N para diferentes tipos de materia prima, necesario para el proceso de digestión anaeróbica. Tabla 1.8 Relación C/N para diferentes materias primas3.. Materia Orina Sangre Huesos machacados Pollo. C/N. 15-18. 0.8. 6.3. 3.0. -. 3.5. 10-14. 15. Carnero. 3.8. Cerdo. 3.8. Caballo. 2.3. 25. Vaca. 1.7. 25-18. 4. 12. Hierbas mezcladas. 2.4. 19. Heno, hierba fresca. 4. 12. Heno, alfalfa. 2.8. 17. Heno, hierba azul. 2.5. 19. 2.5-4. 11-19. Alga marina. 1.9. 19. Clavo. 1.8. 27. Mostaza. 1.5. 26. Patatas. 1.5. 25. Espigas de trigo. 0.5. 150. Espigas de avena. 1.1. 48. Aserrín. 0.1. 200-500. Hierba cortada. Vegetales no leguminosos. 3. Nitrógeno (% peso seco). http://www.inta.gov.ar/iir/info/matriz.htm.

(43) 22 1.7.8. AGITACIÓN Y MEZCLADO.. La agitación tiene como objetivo los siguientes aspectos: •. Remoción de los metabolitos producidos por las bacterias metanogénicas.. •. Mezcla del sustrato fresco con población bacteriana.. •. Evitar que se forme una costra al interior del digestor.. •. Establecer una densidad uniforme en la población bacteriana y evitar que deje de existir actividad biológica, que pueda inhibir el proceso.. Existen diferentes mecanismos de agitación desde lo más simple hasta lo más complejo, esto se logra agitando manualmente, agitación por medio de la entrada y salida de líquidos que entran al digestor, agitación de tipo electromecánico por medio de un motor eléctrico acoplado a una hélice, y también existe procesos de recirculación de sustrato por medio de bombas.. 1.7.9. INHIBIDORES.. Este parámetro es muy importante y debe ser tomado en cuenta debido a que metales pesados, antibióticos y detergentes en determinadas concentraciones pueden inhibir e incluso interrumpir el proceso de fermentación. Razón por la cual se debe evitar la carga de estiércol proveniente de animales tratados con antibióticos.. Cuando la concentración de ácidos volátiles es alta más de 2.000 ppm para la fermentación mesofílica y de 3.600 ppm para la termofílica se inhibirá la digestión anaeróbica. Y por último concentraciones elevadas de Nitrógeno y amoníaco destruyen las bacterias metanogénicas.. En la tabla 1.9 se puede apreciar valores de concentraciones de ciertos elementos inhibidores, valores que se deben tomar como orientativos, puesto que.

(44) 23 las bacterias que intervienen pueden con el tiempo adaptarse a condiciones que en un principio las afectaba de forma muy marcada. Tabla 1.9 Elementos inhibidores. INHIBIDORES. CONCENTRACIÓN INHIBIDORA. SO4. 5.000 ppm. NaCl. 40.000 ppm. Nitrato (según contenido de Nitrógeno). 0,05 mg/ml. Cu. 100 mg/l. Cr. 200 mg/l. Ni. 200-500 mg/l. CN (Después que se han domesticado las bacterias metanogénicas a 2-10 mg/ml). ABS (Detergente sintético). 25 mg/l 20-40 mg/l. Na. 3.500-5.500 mg/l. K. 2.500-4.500 mg/l. Ca. 2.500-4.500 mg/l. Mg. 1.000-1.500 mg/l. 1.7.10 NUTRIENTES La concentración requerida para las bacterias metanogénicas requiere de contenidos de N, P y otros factores, por lo tanto una variación de estos elementos puede alterar el proceso. Es así que los materiales con alto contenido de Nitrógeno, tales como las excretas de animales, se descomponen fácilmente y producen biogas de una forma rápida, por lo que el período de fermentación es corto. Mientras tanto la descomposición de materiales con un alto contenido de carbono es más lento, pero el período fermentativo es más largo. Por lo tanto los materiales con diferentes proporciones de carbono/nitrógeno (C/N) difieren ampliamente en sus rendimientos en biogas..